TW201408895A

TW201408895A - 導引裝置

Info

Publication number: TW201408895A
Application number: TW101131254A
Authority: TW
Inventors: Kuan-Lwun Shu; Long-Iong Wu
Original assignee: Nat Univ Tsing Hua
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-03-01
Also published as: US8584592B1

Abstract

本發明之導引裝置係在一直線軌道與一弧形軌道之間插入一連接軌道，連接軌道兩側之滾動接觸面之輪廓分別為相同於弧形軌道之輪廓以及一變曲率輪廓，並於弧形輪廓一側僅使用二滾動體、於變曲率輪廓一側僅使用一滾動體，藉此達成帶動移動體之滾動體在滾動於整個軌道組期間常時保持對軌道組之接觸，大為提升導引裝置運動的穩定與平順特性。

Description

導引裝置

本發明相關於一種導引裝置，尤相關於一種達到高精度導引移動體以相對於軌道無間隙之方式從直線區段過渡到弧形區段的導引裝置。

軌道導引技術之應用相當廣泛，相關設備早已常見於各種工業應用，大如交通運輸領域之電車、軌道車，小至工廠內物料搬運之自動化輸送裝置，尤其是高科技產業如半導體元件、面板等，或者非搬運目的如機械定位、量測儀器之滑動平台等。

在目前，直線運動導引系統可說是發展極為成熟，業者在此領域也早已提出各種改良。然而，在實際應用上因為作業空間有限或因應多站式製程設備之佈置，常有變換工作件被導引方向之需求。習知達到變換導引方向之方案以下舉出二種常見例子說明。

第一種就是在導引裝置中附加旋轉台，旋轉台是設置在方向變換點。當工作件抵達旋轉台位置時，藉由旋轉台旋轉運動使得工作件方向獲得改變，接著由次一軌道區段來繼續導引。這種導引裝置之設計可以達成只使用直線軌道區段之組合，但缺點在於增加了所需元件尤其是指旋轉台，也間接拉高整體設置成本與組裝複雜度。此外因工作件等待方向變換需要時間，使得製程效率降低。

在另一種習知導引裝置中，像是美國專利公開號 US2002/0028030所揭示者，參考第1圖，其直接將直線軌道91和弧形軌道92相連，其中直線軌道91兩側分別有可供滾珠滾動的直線滾動軌道面911、912，曲線軌道92之兩側分別亦有可供滾珠滾動之曲面滾動軌道面921、922。一移動體93內含有雙列且多行直線排列之複數個滾珠94。所稱“列”係指沿軌道高度方向之排列、“行”則指沿軌道縱向之排列而言。

上述複數滾珠94同時與各軌道91、92之各滾動軌道面911、912、921、922接觸，並且可連續沿包含直線與曲線的軌道運動。但此導引裝置中滾珠在進行軌道過渡時必須相對於軌道存在有間隙，否則當移動體91從直線軌道91相對運動至弧形軌道92時，裝在移動體91與軌道之間之部分滾珠將會與直線軌道91之滾動軌道面產生干涉及接續而來的噪音問題。因此在前述專利公開文件中也提到弧形軌道要設計成較直線軌道有較窄之寬度。

另一方面，上述存在的間隙卻會造成裝在移動體內之一部分滾珠與曲線軌道之滾動軌道面失去接觸，此事實將使此導引裝置導引的運動路徑變得不太準確。而且，明顯地，導引裝置承受負載的能力在直線區段與弧形區段有所差異，亦即在弧形區段負載能力相對較低，因此安全的負載能力需求通常是考慮弧形區段所需者，但也造成直線區段負載能力的浪費。再者，此類型導引裝置都針對滾珠設計特殊循環路徑，相當複雜。

綜上所述，目前習知導引裝置設計都無法兼顧導引效率、噪音抑制、導引精度以及組成之簡單化。

本發明之一目的在於解決習知導引裝置因滾珠與軌道間隙之存在所導致導引不準確、撞擊噪音以及負載能力變化之不良結果。

本發明之另一目的在於提供使用最少滾動件以簡化系統組裝以及零件成本知導引裝置。

為了達到上述及其他目的，本發明提供一種導引裝置，包括軌道組、一移動體以及一滾動單元，其中移動體橫跨於軌道組。上述軌道組包括有依序相連接之一直線軌道、一連接軌道及一弧形軌道，其中直線軌道具有位於相反側之一第一直線接觸面與一第二直線接觸面，弧形軌道具有位於相反側且同心之一第一弧形接觸面與一第二弧形接觸面，連接軌道具有位於相反側之一第三弧形接觸面與一變曲率接觸面。

上述連接軌道之第三弧形接觸面與弧形軌道之第一弧形接觸面曲率相同。第三弧形接觸面並銜接第一直線接觸面與第一弧形接觸面，變曲率接觸面則銜接第二直線接觸面與第二弧形接觸面。

滾動單元係由一第一滾動體、一第二滾動體及一第三滾動體組成，移動體只藉由這些滾動體沿軌道組移動。上述第一滾動體與第二滾動體是於第三弧形接觸面所在一側常時滾動耦合於移動體與軌道組之間，而第三滾動體是於變曲率接觸面所在一側常時滾動耦合於移動體與軌道組之間。

藉由本發明之裝置設計，只需使用三滾動體便可隨時與對應之軌道保持滾動接觸，因此不會產生撞擊噪音。本發明讓被運送物件平順地進行方向轉換，尤其應用在需保持高準確度導引及高穩定度之場合更見其優勢。

本發明另外特別之優點在於滾動體可以是各種型態，例如滾珠或V槽滾輪，各種等效滾動構件都可使用在本發明之設計當中。

本發明之技術主要可用於所有移動導引應用，因此相關於軌道交通運輸、軌道娛樂設施/用品、工業物料搬運設備、量測或定位目的滑台。

上述滾動體可為各種型態，例如可為帶有V型環溝槽的滾輪，透過一樞柱而連結於移動體，滾輪可繞樞柱進行純滾動。而在此場合中，每一軌道之每一接觸面皆呈一水平錐部，與滾輪之環溝槽相互嵌合，藉此避免滾輪產生不必要的移動。

滾動體也可以是滾珠型態，滾珠被限制在移動體與軌道組之間的空間進行純滾動，同樣能發揮帶動移動體沿軌道組移動之功效。

考量變曲率接觸面一側只有單一滾動體負載，較佳地，第三滾動體之半徑大於第一滾動體與第二滾動體之半徑。

變曲率接觸面之輪廓可由下列關係式表示：

其中，第一滾動體與第二滾動體之半徑相同，OXY座標系統之原點位於弧形軌道之曲率中心，OXY座標系統之X軸與Y軸分別平行與垂直直線軌道，θ表示一參考線與正X軸的夾角，該參考線係指第二滾動體之中心與座標系統之座標原點O之連線，R₁表示第一弧形接觸面之曲率半徑與第一滾動體之半徑之和，r₂表示第三滾動體之半徑，L表示第一滾動體對第三滾動體之中心距離(=第二滾動體對第三滾動體之中心距離)，η表示第一滾動體與第三滾動體之中心連線及第二滾動體與第三滾動體之中心連線的夾角。

本發明主要提出了以一非固定寬度之連接軌道銜接直線軌道與弧形軌道，其中連接軌道兩側滾動接觸面是分別設計成一所欲銜接之弧形輪廓以及一相關於該弧形輪廓之變曲率輪廓。此外還強調只搭配三滾動體常時滾動耦合於移動體與對應軌道之間，達成移動體相對於軌道組之無縫設計、極平順的直線-弧形過渡效果，此設計乃前所未見且相較於習知導引裝置在穩定度及準確度方面具有大幅度改善。

參考第2~4圖，為一較佳實施例之導引裝置平面示意圖、移動體放大圖以及沿第3圖IV-IV線之剖視圖。圖中顯示出本發明之導引裝置主要包括一移動體10、一軌道組20以及帶動移動體10沿軌道組20移動之一滾動單元30。軌道組20包括有一直線軌道21、一連接軌道22以及一弧形軌道23，且上述軌道組20的三個軌道區段21~23依所列順序相連接，這樣的連接組合使得移動體10能夠從直線運動區段平順地過渡到弧形運動區段。直線軌道21會與連接軌道22相切連接。

直線軌道21具有位於相反側之一第一直線接觸面211與一第二直線接觸面212。弧形軌道23具有位於相反側之一第一弧形接觸面231與一第二弧形接觸面232，二者為同心。連接軌道22具有位於相反側之一第三弧形接觸面221與一變曲率接觸面222。

第三弧形接觸面221銜接第一直線接觸面211與第一弧形接觸面231，變曲率接觸面222銜接第二直線接觸面212與第二弧形接觸面232。特別地，連接軌道22之第三弧形接觸面221是與弧形軌道23之第一弧形接觸面211曲率相同。

各軌道之材料與製法並未特別限制，例如一實施例中係使用鋁材料製成。

移動體10橫跨於軌道組20，而在本實施例中，移動體10為具槽道截面(channel section)之結構體。

滾動單元30是由一第一滾動體31、一第二滾動體32及一第三滾動體33組成，亦即移動體10只藉由三滾動體31~33沿軌道組20移動。

第一滾動體31與第二滾動體32係於第三弧形接觸面221所在一側常時滾動耦合於移動體10與軌道組20之間，而第三滾動體33係於變曲率接觸面222所在一側常時滾動耦合於移動體10與軌道組20之間。本實施例中，滾動體31~33是採用具有環溝槽(例如圖中標號321,331)之滾輪，並透過平行於移動體10高度方向之樞柱(例如圖中標號322、332)而樞設在移動體10上。滾動體31~33被收容在移動體10與軌道組20所界定的收容空間100中。而所有接觸面211、212、221、222、231、232都形成為一水平錐部結構，滾動體31~33透過環溝槽與水平錐部間之嵌合關係而避免上下震動的可能性。

變曲率接觸面222輪廓之取得可由第一弧形接觸面231之曲率半徑、第一滾動體31之半徑、第二滾動體32之半徑、第三滾動體33之半徑、第一滾動體31與第三滾動體33之距離、第二滾動體32與第三滾動體33之距離、第一滾動體31與第三滾動體33之中心連線以及第二滾動體32與第三滾動體33之中心連線之夾角決定。

以下將舉一例說明關於上述變曲率接觸面之輪廓取得，所考慮者為平面觀點之分析。請參考第5~6圖，在本實施例中，第三滾動體33在沿軌道組之縱向上係位於第一滾動體31與第二滾動體32之間。圖中還示出第一滾動體31之中心A，第二滾動體32之中心B，第三滾動體33之中心C。

在此一考量設計方便性的範例中，AC連線長度=BC連線長度=L，第一滾動體31與第三滾動體33之中心連線AC及第二滾動體32與第三滾動體33之中心連線BC的夾角為η，第一滾動體31半徑=第二滾動體32半徑=r₁，至於第三滾動體33半徑r₂較佳設計為大於r₁以於滾動運動中提供足夠強度。

第二滾動體32的節曲線(pitch curve)在圓弧軌道區段時具有半徑R₁(等於第一弧形接觸面曲率半徑與第一滾動體或第二滾動體半徑之和)，因三滾動體31~33在移動體中的相對位置一直被維持著(因剛性連結)，故第三滾動體33之運動是可被特定出的。

依據第5圖中等邊三角形ABC與ABO，第三滾動體33的節曲線半徑。

第6圖顯示第一滾動體31與第二滾動體32分別處於不同節曲線區段，亦即分別在直線區段與弧形區段。圖中V_A、V_B、V_C分別表示點A、B、C的速度向量。

須依據逆向運動學原理來得到第三滾動體33中心C的位置表示(X_C,Y_C)。首先設立OXY座標系統：座標原點 O位於節曲線圓弧區段之中心點位置(亦即弧形軌道之曲率中心)，X軸與Y軸分別為平行與垂直直線軌道之座標軸。

中心A之位置座標(X_A,Y_A)及中心B之位置座標(X_B,Y_B)表示如下：

Y_A=-R₁

X_B=R₁cos θ

Y_B=-R₁sin θ

其中θ為參考線OB與正X軸的夾角。滾動體(31、32)的角位移(從平行於正X軸之水平向量所量得)可表示如下：

第三滾動體33中心C之位置座標可表示如下：

依據滾動體與軌道接觸點共同法線須相交於瞬心、以及第一滾動體31與第二滾動體32之速度向量V_A、V_B之垂直線相交於瞬心兩條件，得到對於軌道組與滾動體之瞬心位置座標可表示如下：X₁=X_A

Y₁=-X_Atan θ

接著便可得到第三滾動體33與軌道組的共同法線，從正X軸量測C點對瞬心連線CI₁₂之角度為。

最後，依第三滾動體33所描繪之軌道組輪廓位置座標(X_P,Y_P)可表示如下：X_P=X _C-r ₂ cosθ_c

Y_P=Y _C-r ₂ sin θ_c

將(X_P,Y_P)表示式進一步整理如下：

在實務應用上，移動體可直接作為承載板體來運送物品，一完整的導引系統可參考第7圖所示，遵守著中間軌道連接直線軌道與弧形軌道之規則，使用了兩個直線軌道41、四個連接軌道42、兩個弧形軌道43而構成一具有封閉軌道路徑之結構。

另一種導引系統可參考第8圖所示，使用了一個直線軌道44、兩個連接軌道45、兩個弧形軌道46，但所構成者為一開放式軌道路徑之結構，其呈現S型。由此可知利用本發明之三種軌道區段是可以組合出多種結構樣態的。

參考第9圖，在同一軌道組50上可安裝兩個移動體47、48，每一移動體當然也透過各自滾動單元來進行移動。此範例主要特色在於將一大型乘載板49分別可轉動地連接至兩移動體47、48上(例如以接頭491、492將承載板49壓固在移動體，但允許乘載板49轉動)，如此不僅可運送體積較大、數量較多之物件，特別是整體可負載重量也提升了。當然，這種配置同樣也能使移動體平順地過渡於直線軌道及弧形軌道。

在此要特別說明的是，本發明中所指任一滾動體並非限制在數量為一之元件，也可以是指沿移動體高度方向分佈之多個元件的組合(若以先前技術背景之用語“列”即稱之“多列”)。也就是說本文所指“常時滾動耦合於軌道之一滾動體”是泛指從平面觀點沿軌道縱向佔據於一特定位置之所有元件，可能為單一或更多個，因為它們在同一時間是行走於相同輪廓路徑，不會產生干涉現象。例如第10圖所示滾動體50是採用滾珠型態者，而且每一滾動體50是包括上下兩個滾珠51、52，並以保持器56限制二滾珠。滾珠設置成在移動體53與軌道組54所界定之收容空間55中只能進行純滾動，沒有空隙供其進行各方向的位移。這樣的導引裝置設計除了與第一例有同樣的功效之外，主要優點當然是讓負載能力提升。

10、47、48、53‧‧‧移動體

100、55‧‧‧收容空間

20、50、54‧‧‧軌道組

21、41、44‧‧‧直線軌道

211‧‧‧第一直線接觸面

212‧‧‧第二直線接觸面

22、42、45‧‧‧連接軌道

221‧‧‧第三弧形接觸面

222‧‧‧變曲率接觸面

23、43、46‧‧‧弧形軌道

231‧‧‧第一弧形接觸面

232‧‧‧第二弧形接觸

30‧‧‧滾動單元

31‧‧‧第一滾動體

32‧‧‧第二滾動體

321、331‧‧‧環溝槽

322、332‧‧‧樞柱

33‧‧‧第三滾動體

49‧‧‧乘載板

491、492‧‧‧接頭

56‧‧‧保持器

A、B、C‧‧‧中心

O‧‧‧座標原點

R₁、R₂‧‧‧節曲線半徑

r₁、r₂‧‧‧半徑

L‧‧‧中心距離

θ、η、θ_C‧‧‧夾角

‧‧‧角位移

V_A、V_B、V_C‧‧‧速度向量

第1圖係習知導引裝置平面示意圖。

第2圖係本發明一較佳實施例之導引裝置平面示意圖。

第3圖係第2圖中移動體放大圖。

第4圖係沿第3圖IV-IV線之剖視圖。

第5圖係用於變曲率接觸面輪廓曲取得之示意圖，其中三滾動體都在弧形路徑上。

第6圖係用於變曲率接觸面輪廓曲取得之示意圖，其中三滾動體在相異路徑上。

第7圖係本發明之導引裝置之第一應用例示意圖。

第8圖係本發明之導引裝置之第二應用例示意圖。

第9圖係本發明之導引裝置之第三應用例示意圖。

第10圖係以滾珠代換第4圖導引裝置之滾輪之示意圖。

10‧‧‧移動體

20‧‧‧軌道組

21‧‧‧直線軌道

211‧‧‧第一直線接觸面

212‧‧‧第二直線接觸面

22‧‧‧連接軌道

221‧‧‧第三弧形接觸面

222‧‧‧變曲率接觸面

23‧‧‧弧形軌道

231‧‧‧第一弧形接觸面

232‧‧‧第二弧形接觸面

Claims

一種導引裝置，包括：一軌道組，包括有依序相連接之一直線軌道、一連接軌道及一弧形軌道，該直線軌道具有位於相反側之一第一直線接觸面與一第二直線接觸面，該弧形軌道具有位於相反側且同心之一第一弧形接觸面與一第二弧形接觸面，該連接軌道具有位於相反側之一第三弧形接觸面與一變曲率接觸面，其中該第三弧形接觸面與該第一弧形接觸面曲率相同，該第三弧形接觸面並銜接該第一直線接觸面與該第一弧形接觸面，該變曲率接觸面銜接該第二直線接觸面與該第二弧形接觸面；一移動體，橫跨於該軌道組；以及一滾動單元，該滾動單元係由一第一滾動體、一第二滾動體及一第三滾動體組成，該第一滾動體與該第二滾動體係於該第三弧形接觸面所在一側常時滾動耦合於該移動體與該軌道組之間，該第三滾動體係於該變曲率接觸面所在一側常時滾動耦合於該移動體與該軌道組之間；其中，該移動體只藉由該等滾動體沿該軌道組移動。
如申請專利範圍第1項所述之導引裝置，其中該等滾動體係為樞設於該移動體之滾輪。
如申請專利範圍第2項所述之導引裝置，其中每一軌道之每一接觸面皆呈一水平錐部，每一滾動體則形成有對應嵌合該水平錐部之一環溝槽。
如申請專利範圍第1項所述之導引裝置，其中該等滾動體係為滾珠，被限制在該移動體與該軌道組之間的空間進行純滾動。
如申請專利範圍第1項所述之導引裝置，其中該第三滾動體之半徑大於該第一滾動體與該第二滾動體之半徑。
如申請專利範圍第1項所述之導引裝置，其中每一軌道係以鋁製成。
如申請專利範圍第1項所述之導引裝置，其中該第一滾動體與該第二滾動體之半徑相同，而該變曲率接觸面之輪廓係由下列一OXY座標系統之座標表示式表示：其中，該OXY座標系統之一原點位於該弧形軌道之曲率中心，該OXY座標系統之X軸與Y軸分別平行與垂直該直線軌道，θ表示一參考線與正X軸的夾角，該參考線係指該第二滾動體之中心與該座標系統之原點之連線，R₁表示該第一弧形接觸面之曲率半徑與該第一滾動體之半徑之和，r₂表示該第三滾動體之半徑，L表示該第一滾動體對該第三滾動體之中心距離(=該第二滾動體對該第三滾動體之中心距離)，η表示該第一滾動體與該第三滾動體之中心連線及該第二滾動體與該第三滾動體之中心連線的夾角。